世界油页岩原位开采技术进展

作者简介:刘德勋,1985年生,硕士研究生;2006年毕业于中国石油大学(华东)化学工程与工艺专业;现从事油页岩开发技术研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市万庄44号信箱新能源所。电话:(010)69213015。E -mail:ldhappyx un2006@163.co m

世界油页岩原位开采技术进展

刘德勋1,2 王红岩2 郑德温2 方朝合2 葛稚新2

1.中国石油大学化工学院

2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院

刘德勋等.世界油页岩原位开采技术进展,2009,29(5):128-132.

摘 要 油页岩原位开采技术不需要进行采矿和建设大型的尾气处理设施,可开发深层、高厚度的油页岩资源,具有产品质量好、采油率高、占地面积少和环保等优点,目前尚处于工业试验阶段。按照油页岩层受热方式的不同,可将油页岩原位开采技术分为传导加热、对流加热、辐射加热3类技术。在此,详细介绍了壳牌石油公司地下转化工艺技术、埃克森美孚公司Electro frac TM 技术、IEP 公司GFC 技术等3种传导加热技术,还介绍了太原理工大学的对流加热技术、雪弗龙CRU SH 技术等5种对流加热技术,以及2种辐射加热技术,并分析了各类工艺的优缺点。根据我国油页岩资源埋藏深、品位低的特点,应大力开展原位开采技术方面的研究工作,为将来大规模开发油页岩资源提供技术储备。

关键词 原位开采 蒸汽加热 电加热 辐射加热 DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2009.05.032

0 前言

油页岩干馏分为地上干馏和地下干馏两种。虽然地上干馏技术成熟,但是由于工艺本身缺陷的问题,具有很多难以避免的缺点,例如:利用率低、高污染、规模小、成本高、干馏炉产生的废渣数量极大,占用大量土地面积,不易回收利用等

[1-2]

。

地下干馏指埋藏于地下的油页岩不经开采,直

接在地下设法加热干馏,产出的油气被导出到地面上来,冷凝获得页岩油及不凝气。地下干馏也称为原位开采。原位开采不但不需要进行采矿和建设大型的尾气处理设施,而且可开发深层、高厚度的油页岩资源,具有产品质量好、采油率高、占地面积少和环保等优点。国内外许多大公司及研究机构在这方面做了大量的研究,已初见成效。我国300m 以深的油页岩资源占有相当大的比例,根据传统油页岩干馏技术,尚不能进行开发[3]。在能源日趋紧张的今天,我国有必要在完善传统的地面干馏工艺的基础上,着力发展原位开采技术,为未来油页岩资源开发提供理论和技术储备[4-5]。

1 原位开采技术种类及各自优缺点

地下开采油页岩主要存在3个问题:¹干酪根

必须转化为可流动的石油和天然气。需要在相当大

的区域内供给足够的热量,以使高温分解在合理的时间内发生,从而完成该转化过程;º在包含干酪根、可能具有极低渗透性的油页岩中,必须增加渗透性;»干馏后的油页岩必须不会造成不适当的环境或经济的负担。由于向地层引入热量的方式有很多种,原位开采技术达数十种,笔者只对一些具有代表性的技术进行阐述。原位开采技术按照油页岩层受热方式的不同,可分为传导加热、对流加热、辐射加热3类技术。

1.1 传导加热技术

目前主要利用传导加热方式加热页岩层的技术主要有壳牌石油公司的地下转化工艺技术(ICP)、美孚石油公司的ElectrofracT M 技术和IEP 公司的GFC 技术。

1.1.1 壳牌公司的地下转化工艺技术(ICP) 从1980年,壳牌石油公司H ouston R&D 研究中心开始研究ICP 技术,截至2007年,共申请了150多项专利,并且进行了中试试验(图1)。

ICP 技术开采的基本原理是通过电加热器将热量传递给地下油页岩矿层进行加热和裂解,促使油页岩中的干酪根转化为高品质的油气,再通过生产井将油、气采出到地面。

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128#新 能 源 天 然 气 工 业 2009年5月

图1壳牌公司ICP技术图

ICP技术中主要有5类井:冷冻井、疏干井、监测井、热源井、生产井[3,6]。

冷冻井:向其中注入冷冻液,建立冷冻墙。

疏干井:用来抽出冷冻墙内部的地下水,防止地下水浸入页岩层,减少干馏过程中的能量能耗。

监测井:用于监测地层温度和压力、地下水的pH值、Eh值、微生物的变化、裂缝尺寸等参数。

热源井:用于给地下的油页岩提供连续热量。

生产井:即采油井,将地层孔隙中流动的油气采集并输送到地面。

ICP工艺主要包括以下部分:

1)建立冷冻墙。为了阻止地下水流入油页岩开采区,该工艺利用了冷冻墙技术,即先在开采区周边钻一系列井,建立环形封闭管道系统,注入-45e 的冷冻液,使周围的地下水冷冻,形成外围冷冻墙,保护周围地下水不受污染。建立冷冻墙之后,将开采区的地下水全部抽走,以减少加热过程中能量的消耗。

2)加热页岩层。钻加热井,安装加热棒进行传导加热和裂解油页岩,促使其内部的干酪根转化为高品质的油或气。

3)采出干馏油气。按照常规油气开采的方法,将地下干馏的高品质的油气采集到地面进行加工,生产石脑油、煤油等成品油。

4)钻探监测井。用来监测水文、地质、温度、压力和水质等参数[7-8]。

该工艺的突出优点是:提高了资源开发利用效率;减少了开采过程中对生态环境的破坏,即少占地、无尾渣废料、无空气污染、少地下水污染及最大限度地减少有害副产品的产生。尽管该项技术还没有商业化推广,但关键的工艺、设备等技术问题已经解决,并在美国科罗拉多州进行了中试试验。

但该工艺也存在一些缺点:¹电加热工艺复杂,故障多,难排除;º加热元件及功率小,耗电多,波及面积小,成本高;»温度场呈球状分布,损失大;¼油气迁移动力小,难以采出,导致回收率较低。据有关专家称,由于电加热能耗太大,在工业应用阶段,拟改用气体加热[1]。

1.1.2埃克森美孚公司的ElectrofracTM技术

埃克森美孚公司自从1960年就参与油页岩开发,现在集中精力主要研究原位开采技术。1990年埃克森美孚公司通过对30多种工艺的调研,提出了E lectr ofr acTM工艺,并进行了实验室和小规模的试验及数值模拟,试验结果令人满意。目前正在计划进行现场试验,准备进行商业化应用。

如图2所示,ElectrofracT M工艺先利用平行水平井对页岩层进行水力压裂,向油页岩矿层的裂缝中填充导电介质,形成加热单元。导电介质通过传导把热量传递给页岩层,使页岩层内的干酪根热解,产生的油气通过采油井采到地面上来。同时,伴生矿)))碳酸氢钠也遇热发生反应生成碳酸钠,用水抽提出来,作为副产品[9]。

图2美孚公司ElectrofracTM技术图

该工艺的特点:¹采用了压裂技术增加了页岩层的渗透性,可开采致密性油页岩资源;º生产副产品碳酸钠,提高了经济效益;»没有保护地下水,容易造成水污染;¼采用平面热源的线性导热方式,有效地提高了热效率。

1.1.3IEP的GFC技术

该工艺流程(图3)为:利用高温燃料电池堆的反应热直接加热油页岩层,使其中的有机质热解产生烃气,然后导入到采油井,被抽到地面上来。除了部分气体作为燃料被通入燃料电池堆外,其余大部分烃气经冷凝后获得石油和天然气。另外,在启动工艺装置预热油页岩时期,需要向燃料电池中通入天然气作为启动燃料。工艺正常运转后,能量自给自足[9]。

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第29卷第5期天然气工业新能源